LVS负载均衡

• 了解群集的结构与工作模式
• 了解LVS负载均衡群集原理
• 学会配置NFS共享服务
• 学会构建LVS-NAT负载均衡群集

在各种互联网应用中，随着站点对硬件性能、响应速度、服务稳定性、数据可靠性等要求越来越高，单台服务器已经无法满足负载均衡及高可用的要求。除了使用价格昂贵的大型机、专用负载分流设备以外，企业还有另外一种选择来解决难题，那就是构建群集服务器— —通过整合多台服务器，使用 LVS 来达到服务器的高可用和负载均衡，并以同一个 IP 地址对外提供相同的服务

本章将要学习在企业中常用的一种群集技术——LVS（Linux Virtual Server，Linux 虚拟服务器）

1.1 LVS群集应用基础

        群集的称呼来自于英文单词“Cluster”，表示一群、一串的意思，用在服务器领域则表示大量服务器的集合体，以区分于单个服务器。本节将对群集的结构、工作模式、LVS 虚拟应用，以及 NFS 共享存储介绍及使用

1.1.1 群集技术概述

        根据实际企业环境的不同，群集所提供的功能也各不相同，采用的技术细节也可能各有千秋。然而从整体上来看，需要先了解一些关于群集的共性特征，才能在构建和维护群集的工作中做到心中有数，避免操作上的盲目性

1. 群集的类型

        无论是哪种群集，都至少包括两台节点服务器，而对外表现为一个整体，只提供一个访问入口。根据群集所针对的目标差异，可分为以下三种类型

• 负载均衡群集（Load Balance Cluster）：以提高应用系统的响应能力、尽可能处理更多的访问请求、减少延迟为目标，获得高并发、高负载的整体性能。例如，“DNS 轮询”“应用层交换”“反向代理”等都可用作负载均衡群集。LB 的负载分配依赖于主节点的分流算法，将来自客户机的访问请求分担给多个服务器节点，从而缓解 整个系统的负载压力
• 高可用群集（High Availability Cluster）：以提高应用系统的可靠性、尽可能地减少中断时间为目标，确保服务的连续性，达到高可用（HA）的容错效果。例如， “故障切换”“双机热备”“多机热备”等都属于高可用群集技术。HA 的工作方式包括双工和主从两种模式。双工即所有节点同时在线；主从则只有主节点在线，但当出现故障时从节点能自动切换为主节点
• 高性能运算群集（High Performance Computer Cluster）：以提高应用系统的 CPU 运算速度、扩展硬件资源和分析能力为目标，获得相当于大型、超级计算机的高性第 3 页 共 12 页 能运算（HPC）能力。例如，“云计算”“网格计算”也可视为高性能运算的一种。 高性能运算群集的高性能依赖于“分布式运算”“并行计算”，通过专用硬件和软件将多个服务器的 CPU、内存等资源整合在一起，实现只有大型、超级计算机才具备的计算能力

不同类型的群集在必要时可以合并，如高可用的负载均衡群集。本章将依次讲解 LVS 负载均衡群集、高可用软件 Keepalived，以及两者的结合使用

2. 负载均衡的分层结构

        在典型的负载均衡群集中，包括三个层次的组件，如图 1.1 所示。前端至少有一个负载调度器（Load Balancer，或称为 Director）负责响应并分发来自客户机的访问请求；后端由大量真实服务器（Real Server）构成服务器池（Server Pool），提供实际的应用服务，整个群集的伸缩性通过增加、删除服务器节点来完成，而这些过程对客户机是透明的；为了保持服务的一致性，所有节点使用共享存储设备

• 第一层，负载调度器：这是访问整个群集系统的唯一入口，对外使用所有服务器共有的 VIP（Virtual IP，虚拟 IP）地址，也称为群集 IP 地址。通常会配置主、备两台调度器实现热备份，当主调度器失效以后能够平滑替换至备用调度器，确保高可用性
• 第二层，服务器池：群集所提供的应用服务（如 HTTP、FTP）由服务器池承担，其中每个节点具有独立的 RIP（Real IP，真实 IP）地址，只处理调度器分发过来的客户机请求。当某个节点暂时失效时，负载调度器的容错机制会将其隔离，等待错误排除以后再重新纳入服务器池
• 第三层，共享存储：为服务器池中的所有节点提供稳定、一致的文件存取服务，确保整个群集的统一性。在 Linux/UNIX 环境中，共享存储可以使用 NAS 设备，或者提供 NFS（Network File System，网络文件系统）共享服务的专用服务器

3. 负载均衡的工作模式

        关于群集的负载调度技术，可以基于 IP、端口、内容等进行分发，其中基于 IP 的负载调度是效率最高的。基于 IP 的负载均衡模式中，常见的有地址转换、IP 隧道和直接路由三种工作模式，如图

• 地址转换（Network Address Translation）：简称 NAT 模式，类似于防火墙的私有 网络结构，负载调度器作为所有服务器节点的网关，即作为客户机的访问入口，也是各节点回应客户机的访问出口。服务器节点使用私有 IP 地址，与负载调度器位于同一个物理网络，安全性要优于其他两种方式
• IP 隧道（IP Tunnel）：简称 TUN 模式，采用开放式的网络结构，负载调度器仅作为客户机的访问入口，各节点通过各自的 Internet 连接直接回应客户机，而不再经过负载调度器。服务器节点分散在互联网中的不同位置，具有独立的公网 IP 地址，通过专用 IP 隧道与负载调度器相互通信
• 直接路由（Direct Routing）：简称 DR 模式，采用半开放式的网络结构，与 TUN 模式的结构类似，但各节点并不是分散在各地，而是与调度器位于同一个物理网络。 负载调度器与各节点服务器通过本地网络连接，不需要建立专用的 IP 隧道

以上三种工作模式中，NAT 方式只需要一个公网 IP 地址，从而成为最易用的一种负载均衡模式，安全性也比较好，许多硬件负载均衡设备就采用这种方式。相比较而言，DR 模式和 TUN 模式的负载能力更加强大，适用范围更广，但节点的安全性要稍差一些

1.1.2 LVS虚拟服务器

        Linux Virtual Server 是针对 Linux 内核开发的一个负载均衡项目，由我国的章文嵩博士在 1998 年 5 月创建，官方站点位于 http://www.linuxvirtualserver.org/。LVS 实际上相当于基于 IP 地址的虚拟化应用，为基于 IP 地址和内容请求分发的负载均衡提出了一种高效的解决方法

        LVS 现在已成为 Linux 内核的一部分，默认编译为 ip_vs 模块，必要时能够自动调用。 在 CentOS 7 系统中，以下操作可以手动加载 ip_vs 模块，并查看当前系统中 ip_vs 模块的版本信息

[root@node1 ~]# modprobe ip_vs                        //加载ip_vs模块
[root@node1 ~]# cat /proc/net/ip_vs                   //查看ip_vs版本信息
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
[root@node1 ~]#

下面将介绍 LVS 所支持的主要负载调度算法，以及在 LVS 负载均衡调度器上如何使用 ipvsadm 管理工具

1. LVS的负载调度算法

        针对不同的网络服务和配置需要，LVS 调度器提供多种不同的负载调度算法，其中最常用的四种算法是轮询、加权轮询、最少连接和加权最少连接

• 轮询（Round Robin）：将收到的访问请求按照顺序轮流分配给群集中的各节点，均等地对待每台服务器，而不管服务器实际的连接数和系统负载
• 加权轮询（Weighted Round Robin）：根据调度器设置的权重值来分发请求，权重值高的节点优先获得任务并且分配的请求越多，这样可以保证性能高的节点承担更多请求
• 最少连接（Least Connections）：根据真实服务器已建立的连接数进行分配，将收到的访问请求优先分配给连接数最少的节点。如果所有的服务器节点性能相近，采用这种方式可以更好地均衡负载
• 加权最少连接（Weighted Least Connections）：在服务器节点的性能差异较大的情况下，调度器可以根据节点服务器负载自动调整权重，权重较高的节点将承担更大比例的活动连接负载

2. 使用ipvsadm管理工具

        ipvsadm 是在负载调度器上使用的 LVS 群集管理工具，通过调用 ip_vs 模块来添加、删除服 务器节点，以及查看群集的运行状态 。在CentOS 7系统中，需要手动安装 ipvsadm.x86_64 0:1.27-7.el7 软件包

[root@node1 ~]# yum -y install ipvsadm
[root@node1 ~]# ipvsadm -v
ipvsadm v1.27 2008/5/15 (compiled with popt and IPVS v1.2.1)
[root@node1 ~]# 

        LVS 群集的管理工作主要包括创建虚拟服务器、添加服务器节点、查看群集节点状态、删除服务器节点和保存负载分配策略。下面分别展示使用 ipvsadm 命令的操作方法

（1）创建虚拟服务器

        若群集的 VIP 地址为 192.168.161.10，针对 TCP 80 端口提供负载分流服务，使用的调度算法为轮询，则对应的 ipvsadm 命令操作如下所示。对于负载均衡调度器来说，VIP 必须是本机实际已启用的 IP 地址

[root@node1 ~]# ipvsadm -A -t 192.168.161.10:80 -s rr

 上述操作中，选项-A 表示添加虚拟服务器，-t 用来指定 VIP 地址及 TCP 端口，-s 用来指定负载调度算法——轮询（rr）、加权轮询（wrr）、最少连接（lc）、加权最少连接（wlc）

（2）添加服务器节点

        为虚拟服务器 192.168.161.10添加两个服务器节点，IP 地址依次为 192.168.161.11~12， 对应的 ipvsadm 命令操作如下所示。若希望使用保持连接，还应添加“-p 60”选项，其中 60 为保持时间（单位为 s）

[root@node1 ~]# ipvsadm -a -t 192.168.161.10:80 -r 192.168.161.11:80 -m -w 1
[root@node1 ~]# ipvsadm -a -t 192.168.161.10:80 -r 192.168.161.12:80 -m -w 1

上述操作中，有以下选项：

1. -a表示添加真实服务器
2. -t用来指定VIP地址及TCP端口
3. -r用来指定RIP地址及TCP端口
4. -m表示使用NAT群集模式（-g DR模式和-i TUN模式）
5. -w用来设置权重（权重为0时表示暂停节点）

（3）查看群集节点状态

        结合选项-l 可以列表查看 LVS 虚拟服务器，可以指定只查看某一个 VIP 地址（默认为查看所有），结合选项-n 将以数字形式显示地址、端口等信息

[root@node1 ~]# ipvsadm -ln                          //查看节点状态
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  192.168.161.10:80 rr
  -> 192.168.161.11:80            Masq    1      0          0         
  -> 192.168.161.12:80            Masq    1      0          0         
[root@node1 ~]#

上述输出结果中，Forward 列下的 Masq 对应 Masquerade（地址伪装），表示采用的群集模式为 NAT。如果是 Route，则表示采用的群集模式为 DR

（4）删除服务器节点

        需要从服务器池中删除某一个节点时，使用选项-d。执行删除操作必须指定目标对象，包括节点地址、虚拟 IP 地址。例如，以下操作将会删除 LVS 群集 192.168.161.10 中的节点 192.168.161.11

[root@node1 ~]# ipvsadm -d -r 192.168.161.11:80 -t 192.168.161.10:80

需要删除整个虚拟服务器时，使用选项-D 并指定虚拟 IP 地址即可，无须指定节点。例如，若执行“ipvsadm -D -t 192.168.161.10:80”，则删除此虚拟服务器

（5）保存负载分配策略

        使用导出/导入工具 ipvsadm-save/ipvsadm-restore 可以保存、恢复 LVS 策略。当然也可以快速清除、重建负载分配策略

[root@node1 ~]# ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm        //保存策略
[root@node1 ~]# cat /etc/sysconfig/ipvsadm                   //确认保存结果
-A -t node1:http -s rr
-a -t node1:http -r 192.168.161.11:http -m -w 1
-a -t node1:http -r 192.168.161.12:http -m -w 1
[root@node1 ~]# systemctl stop ipvsadm                       //停止服务（清除策略）
[root@node1 ~]# systemctl start ipvsadm                      //启动服务（重建规则）

1.1.3 NFS共享存储服务

        NFS 是一种基于 TCP/IP 传输的网络文件系统协议，最初由 Sun 公司开发。通过使用 NFS 协议，客户机可以像访问本地目录一样访问远程服务器中的共享资源。对于大多数负载均衡群集来说，使用 NFS 协议来共享数据存储是比较常见的做法，NFS 也是 NAS 存储设备必然支持的一种协议

下面将学习 NFS 共享服务的基本配置和访问方法

1. 使用NFS发布共享资源

        NFS 服务的实现依赖于 RPC（Remote Process Call，远端过程调用）机制，以完成远程到本地的映射过程。在 CentOS 7 系统中，需要安装 nfs-utils、rpcbind 软件包来提供 NFS 共享服务，前者用于 NFS 共享发布和访问，后者用于 RPC 支持

（1）安装nfs-utils、rpcbind软件包

        提供 RPC 支持的服务为 rpcbind，提供 NFS 共享的服务为 nfs，完成安装以后建议调整这两个服务的自启动状态，以便每次开机后自动启用。手动加载 NFS 共享服务时，应该先启动 rpcbind，再启动 nfs

[root@node1 ~]# yum -y install nfs-utils rpcbind
[root@nfs ~]# systemctl enable nfs
Created symlink from /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/nfs-server.service to /usr/lib/systemd/system/nfs-server.service.
[root@nfs ~]# systemctl enable rpcbind

（2）设置共享目录

        NFS 的配置文件为/etc/exports，文件内容默认为空（无任何共享）。在 exports 文件中设置共享资源时，记录格式为“目录位置 客户机地址(权限选项)”。例如，若要将文件夹/opt/wwwroot 共享给 192.168.161.0/24 网段使用，允许读写操作，具体配置如下所示

[root@nfs ~]# mkdir -p /opt/wwwroot
[root@nfs ~]# vim /etc/exports
/opt/wwwroot  192.168.161.0/24(rw,sync,no_root_squash)

        其中客户机地址可以是主机名、IP 地址、网段地址，允许使用*、?通配符；权限选项中的 rw 表示允许读写（ro 为只读），sync 表示同步写入，no_root_squash 表示当客户机以root 身份访问时赋予本地 root 权限（默认是 root_squash，将作为 nfsnobody 用户降权对待）

        当需要将同一个目录共享给不同的客户机，且分配不同的权限时，只要以空格分隔指定多个“客户机（权限选项）”即可。例如，以下操作将/var/ftp/public 目录共享给两个客 户机，并分别给予只读、读写权限

[root@nfs ~]# vim /etc/exports
/var/ftp/public  192.168.161.11(ro)  192.168.161.12(rw)

（3）启动NFS服务程序

[root@nfs ~]# systemctl start rpcbind
[root@nfs ~]# systemctl start nfs
[root@nfs ~]# netstat -anpt | grep rpc
tcp        0      0 0.0.0.0:111             0.0.0.0:*               LISTEN      7880/rpcbind        
tcp        0      0 0.0.0.0:20048           0.0.0.0:*               LISTEN      8046/rpc.mountd     
tcp        0      0 0.0.0.0:52216           0.0.0.0:*               LISTEN      8043/rpc.statd      
tcp6       0      0 :::111                  :::*                    LISTEN      7880/rpcbind        
tcp6       0      0 :::20048                :::*                    LISTEN      8046/rpc.mountd     
tcp6       0      0 :::47866                :::*                    LISTEN      8043/rpc.statd      
[root@nfs ~]#

（4）查看本机发布的NFS共享目录

[root@nfs ~]# showmount -e
Export list for nfs:
/opt/wwwroot    192.168.161.0/24
/var/ftp/public 192.168.161.12,192.168.161.11
[root@nfs ~]#

2. 在客户机中访问NFS共享资源

        NFS 协议的目标是提供一种网络文件系统，因此对 NFS 共享的访问也使用 mount 命令来进行挂载，对应的文件系统类型为 nfs。既可以手动挂载，也可以加入/etc/fstab 配置文件来实现开机自动挂载。考虑到群集系统中的网络稳定性，NFS 服务器与客户机之间最好使用专有网络进行连接

（1）安装rpcbind软件包，并启动rpcbind服务

        若要正常访问 NFS 共享资源，客户机中也需要安装 rpcbind 软件包，并启动 rpcbind 系统服务。另外，为了使用 showmount 查询工具，建议将 nfs-utils 软件包也一并装上

[root@node2 ~]# yum -y install rpcbind nfs-utils
[root@node2 ~]# systemctl enable rpcbind
[root@node2 ~]# systemctl start rpcbind

        如果已经安装了 nfs-utils 软件包，则客户机也可以使用 showmount 查看 NFS 服务器端共享了哪些目录，查询格式为“showmount -e 服务器地址”

[root@node2 ~]# showmount -e 192.168.161.13
Export list for 192.168.161.13:
/opt/wwwroot    192.168.161.0/24
/var/ftp/public 192.168.161.12,192.168.161.11
[root@node2 ~]#

（2）手动挂载NFS共享目录

        以 root 用户身份执行 mount 操作，将 NFS 服务器共享的/opt/wwwroot 目录挂载到本地目录/var/www/html

[root@node2 ~]# mount 192.168.161.13:/opt/wwwroot /var/www/html/
[root@node2 ~]# tail -1 /etc/mtab                                 //确认挂载结果
192.168.161.13:/opt/wwwroot /var/www/html nfs4 rw,relatime,vers=4.1,rsize=131072,wsize=131072,namlen=255,hard,proto=tcp,timeo=600,retrans=2,sec=sys,clientaddr=192.168.161.11,local_lock=none,addr=192.168.161.13 0 0
[root@node2 ~]# echo "Hello" >  /var/www/html/index.html      //在客户机创建测试文件

完成挂载以后，访问客户机的/var/www/html 文件夹，实际上就相当于访问 NFS 服务器中的/opt/wwwroot 文件夹，其中的网络映射过程对于用户程序来说是透明的。例如，上述操作中创建的 index.html 测试文件，会立刻出现在服务器的/opt/wwwroot/目录下

（3）fstab自动挂载设置

        修改/etc/fstab 配置文件，加入 NFS 共享目录的挂载设置。注意将文件系统类型设为 nfs，挂载参数建议添加_netdev（设备需要网络）。若添加 soft、intr 参数可以实现软挂载，允许在网络中断时放弃挂载。这样，客户机就可以在每次开机后自动挂载 NFS 共享资源了

[root@node2 ~]# vim /etc/fstab
192.168.161.13:/opt/wwwroot               /var/www/html           nfs     defaults,_netdev        0 0